一种复合材料胶接结构多通道敲击自动检测系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种复合材料胶接结构多通道敲击自动检测系统及方法，属于无损检测应用领域。该系统包括控制计算机、运动控制单元、机械扫查机构、多通道敲击检测装置、信号采集卡。其中，控制计算机向运动控制单元发送运动控制指令，运动控制单元驱动机械扫查机构带动多通道检测装置扫查待测样品；多通道敲击检测装置包括多个敲击锤和驱动控制电路，在敲击控制指令的控制下，多个敲击头同时敲击待测样品并采集敲击信号输入给控制计算机；控制计算机根据敲击电信号的宽度和位置信息得到敲击检测的C扫描图像。本发明克服了大面积待检件手动人工检测漏检难题，解决蜂窝胶接结构自动化检测的问题，实现多通道、高可靠性和可视化敲击检测。
【专利说明】
一种复合材料胶接结构多通道敲击自动检测系统及方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种复合材料胶接结构多通道敲击自动检测系统及方法，属于无损检测应用领域。
【背景技术】
[0002]复合材料胶接结构是航天型号产品研制生产重要的结构之一。广泛用于运载火箭、战略导弹、卫星产品上，如火箭整流罩、卫星支架。由于复合材料胶接结构部件采用手工操作、单件生产方式，且生产工艺条件难以严格控制，部件内部易存在影响使用性能的脱粘缺陷。对胶接结构部件的胶接质量进行无损检测，是型号质量可靠性的重要保证。
[0003]复合材料胶接结构作为航天产品生产用重要结构，其主要缺陷有脱粘、疏松、气孔以及蜂窝芯短，蜂窝塌陷等。其中脱粘是最常见的内部缺陷，影响整体结构的力学性能、物理性能，如:2003年哥伦比亚航天飞机爆炸的主因就是外部隔热瓦脱落所致。航空航天系统内各单位对胶接结构产品的无损检测一直采用手持敲击仪，该方法从原理上准确、可行，但受检测人员自身因素的影响较大，在检测实践中存在缺陷漏检问题。因此，如何采用准确性高、对材料、产品无二次污染的检测成为迫切需要解决的问题。为此，开展复合材料胶接结构自动检测系统的研制工作。
[0004]目前敲击检测主要是手工敲击检测，具有检测操作方便、检测灵敏度较高的特点，但缺陷结果受到人为影响因素。手工敲击检测技术中，需要操作者使用前端设备(如敲击锤)对被测件以合适的力和速度进行敲击，通过敲击锤内置的传感器装置采集特征信号并作后续处理。但是，敲击锤由人为的对被测结构激振(敲击)，因此，不同的操作者力度是有差别的。虽然要求操作者尽量使用连续、适当的力度，但是并不能完全消除同一操作者每次检测和不同操作者检测使用的力度间的差别，而这些差别反应到原始信号中是信号幅值的不同。手工敲击检测受人为因素影响大，检测间距、检测速度不可控制，容易出现缺陷漏检情况;且手工敲击检测对扫描结果不具备成像功能，对缺陷的识别、定位、定量均受检测员经验的影响。
【发明内容】
[0005]本发明所解决的技术问题是:克服现有技术的不足，提供一种不易漏检、容易控制、高可靠性、可视化的一种复合材料胶接结构多通道敲击自动检测系统，实现复合材料胶接结构多通道敲击自动无损检测。
[0006]本发明所解决的另一个技术问题是:提供一种不易漏检、容易控制、高可靠性、可视化的一种复合材料胶接结构多通道敲击自动检测方法。
[0007]本发明所采用的技术方案是:
[0008]—种复合材料胶接结构多通道敲击自动检测系统，该系统包括控制计算机、运动控制单元、机械扫查机构、多通道敲击检测装置、信号采集卡，其中:
[0009]控制计算机，接收外部输入的扫描范围、扫描速度、扫描间距，在每个扫查控制周期，向运动控制单元发送运动控制指令，根据扫描间隔、扫描速度确定发送敲击控制指令的时机，向信号采集卡发送敲击控制指令，接收信号采集卡输出的敲击检测数据和运动控制单元实时反馈的扫查头位置信息，根据扫查头位置信息和敲击检测数据实时绘制C扫描检测图像；
[0010]运动控制单元，根据运动控制指令生成驱动信号并发送给机械扫查机构；判断扫查头是否到达目标敲击位置，如果到达，则暂停发送驱动信号制动机械扫查机构;实时计算扫查头的位置信息并发送给控制计算机；
[0011]机械扫查机构，在驱动信号的控制下移动扫查头的位置、调整扫查头的姿态，并实时发送反馈信号到运动控制单元；
[0012]信号采集卡，接收控制计算机发送的敲击控制指令，生成控制信号发送给多通道敲击检测装置;采集多通道敲击检测装置输出的多路调理信号并转换成数字信号，形成敲击检测数据发送给控制计算机；
[0013]多通道敲击检测装置，接收信号采集卡发送的控制信号，产生驱动电流信号，同时输出给多个敲击锤，各敲击锤均与机械扫查机构的扫查头机械连接，随机械扫查机构运动，驱动电流信号驱动多个敲击锤同时敲击待测样品并采集敲击信号，将得到的多路敲击信号进行调理后生成多路调理信号输出给信号采集卡。
[0014]所述多通道敲击检测装置包括驱动电路、调理电路、N个敲击锤，每个敲击锤包括I个电磁锤和I个敲击头，N彡I，其中:
[0015]驱动电路，接收信号采集卡输入的控制信号，产生2N路驱动电流信号，同时输出给N个电磁锤；
[0016]调理电路，接收N个敲击头采集的敲击信号，对敲击信号进行放大、滤波和生成调理信号输出到信号采集卡；
[0017]电磁锤，包括两个电磁线圈、磁铁块和金属滑杆;两个电磁线圈按相反的螺旋方向分别固定在金属框上下两端，金属滑杆从下端的电磁线圈中间穿过，上端固定连接铁磁性材料制成的铁磁块，下端固定连接敲击头，两个电磁线圈之间留有一定间隔，使铁磁块能在两个电磁线圈之间上下活动；驱动电路发送的两路驱动电流信号分别连接至两个电磁线圈，两路驱动电流周期循环交替出现，使两个电磁线圈中电流交替通断，从而驱动金属滑杆上下往复运动；
[0018]敲击头，固定连接在电磁锤的金属滑杆末端，随金属滑杆反复敲击被测物件，被测物件在敲击头的作用力下发生形变并产生回弹力，敲击头内部含有压电传感器，压电传感器检测回弹力，将回弹力转换成敲击信号并输出到调理电路。
[0019]所述驱动电路包括第一输入端口、第二输入端口、两个电阻Rl和R2、两个三极管Ql和Q2，第一输入端口和第二输入端口分别连接电阻Rl和R2的一端，电阻Rl和R2另一端分别连接Ql和Q2的基极，Ql和Q2的集电极分别连接电磁锤中的第一电磁线圈LI和第二电磁线圈L2，Ql和Q2的发射极均接地。
[0020]所述调理电路包括运算放大器INA118、电阻R1、R2、R3、R4、电容Cl;
[0021]运算放大器INA118的差分输入端为调理电路的输入端，分别通过电阻Rl、电阻R2上拉至参考电平，负极电源端接地，正极电源端连接供电电源，输入参考端连接参考电平，输出端连接R4的一端，其余两个管脚外接增益电阻R3，R4的另一端分成两路，一路接Cl，C1的另一端接地，电阻R4和Cl形成的滤波器，另一路为调理电路的输出。
[0022]所述敲击头采用由树脂与导电金属粉固化而成的材料封装而成。
[0023]所述导电金属粉为钨粉。
[0024]所述控制计算机根据扫查头位置信息和敲击检测数据实时绘制C扫描检测图像的具体过程为:对敲击检测数据进行滤波处理后，提取各调理信号中的有效信号宽度;将扫查头位置信息转换为每个敲击点的位置信息，将每个敲击点的位置信息和敲击检测数据一一对应，建立每路调理信号中的有效信号宽度与颜色灰度的线性关系，逐点进行颜色标识，形成C扫描检测图像。
[0025]所述控制计算机提取的有效信号宽度为:信号的上升沿大于预设第一门限值到下降沿小于预设的第二门限值之间的时间宽度。
[0026]—种复合材料胶接结构多通道敲击自动检测方法，该方法包括如下步骤:
[0027](I)、设定扫描范围、扫描速度、扫描间距；
[0028](2)、按照扫描范围、扫描速度、扫描间距，将多通道敲击检测装置移至单次目标敲击位置的上方；
[0029](3)、发送敲击控制信号控制多通道敲击检测装置对待测样品进行敲击并采集多路敲击信号；
[0030](4)、获取多通道敲击检测装置每个敲击点的位置和每路敲击信号的有效宽度；[0031 ] (5)、将每个敲击点的位置信息和敲击检测数据一一对应；
[0032](6)、建立每路敲击信号中的有效信号宽度与颜色灰度的线性关系，逐点进行颜色标识，绘制C扫描检测图像；
[0033](7)、循环执行步骤(I)?步骤(6)，直到扫描范围内的区域全部扫查检测完毕。
[0034]本发明相对于现有技术的有益效果是:
[0035](I)本发明采用机械扫描方式对待测样品进行检测，解决了人工敲击检测方式效率低下、检测间距不可控、敲击方式受人为因素影响大等问题，实现了复合材料胶接结构的快速自动扫描检测；
[0036](2)本发明采用控制计算机为中央处理单元实现对运动控制单元、信号采集卡的控制，保证检测参数可依据检测对象灵活设置，实现检测数据实时记录并保存；
[0037](3)本发明采用多通道检测装置，较单通道检测装置扩展了敲击锤的数量，提高了检测效率，针对较大尺寸工件其优势更为显著；
[0038](4)本发明采用的信号采集卡，可针对多路信号进行数据的发送及采集，保证了系统工作的快速响应能力及数据实时处理能力；
[0039](5)本发明能够实现对待测样品的检测结果进行成像，便于缺陷识别，扫描结束后能快速实现缺陷定位、定量及后续数据处理。
[0040](6)本发明采用控制计算机替代电路模块提取有效信号宽度，可针对不同的待测样品用户自行设置，设置更加灵活、便捷。
【附图说明】
[0041]图1为本发明一种复合材料胶接结构多通道敲击自动检测系统的示意图；
[0042]图2为本发明实施例机械扫查机构示意图；
[0043]图3为本发明实施例运动控制单元的示意图。
[0044]图4为本发明实施例多通道敲击检测装置示意图；
[0045]图5为本发明实施例敲击锤示意图
[0046]图6为本发明实施例电磁锤驱动电流示意图
[0047]图7为本发明实施例多通道敲击检测装置驱动电路图；
[0048]图8为本发明实施例调理电路图；
[0049]图9(a)为本发明实施例敲击部位为胶接良好区域时敲击信号示意图；
[0050]图9(b)为本发明实施例敲击部位为脱粘区域时敲击信号示意图。
【具体实施方式】
[0051]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述:
[0052]图1为一种复合材料胶接结构多通道敲击自动检测系统的示意图。如图1所示，该系统包括控制计算机、运动控制单元、机械扫查机构、多通道敲击检测装置、信号采集卡。
[0053]以一种具体的复合材料胶接结构多通道敲击自动检测系统为例，对本发明各主要组成部分进行详细介绍。
[0054]该检测系统性能参数:
[0055](I)测量范围:X轴500mm，Y轴300mm，Z轴200mm，A转角±50°，B转角±30° ；
[0056](2)最大扫描速度100m/S;
[0057](3)最小扫描间距0.lmm;
[0058](4)信号采集卡采样率为100M。
[0059]1、机械扫查机构
[0060]图2为本发明实施例的机械扫查机构示意图。该机械扫查机构由第一伺服电机21、第二伺服电机22、第一步进电机23、第二步进电机24、第三步进电机25、扫查架、丝杠、扫查头组成。该机械扫查机构具有四根支撑杆，所述四根支撑杆通过螺纹连接四个地脚螺母，可实现四根支撑杆高度的调整。通过调节四根支撑杆高度一致，形成XOY平面，与XOY平面垂直的轴为Z轴。第一伺服电机21和第二伺服电机22分别安装在水平扫查架上，分别通过丝杠控制扫查头水平方向的横向和纵向运动，即第一伺服电机21控制扫查头在X轴方向的运动，第二伺服电机22控制扫查头在Y轴方向的运动，三个步进电机安装在垂直扫查架上，第一步进电机23通过丝杠控制扫查头在竖直方向(Z方向)的运动，第二步进电机24连接A轴，控制扫查头沿X轴正负方向摆动，第三步进电机25连接B轴，控制扫查头沿Y轴正负方向摆动，五个电机可以控制扫查头实现三维立体的运动，还能控制敲击锤空间姿态，实现敲击锤角度的偏转，对曲面结构进行检测。本系统可以实现平面材料的扫描，也可以实现三维曲面扫描。
[0061]机械扫查机构接收运动控制单元发送的电机驱动信号，在驱动信号的控制下移动扫查头的位置到目标位置、调整扫查头的姿态，使之保持垂直于工件表面的姿态，并实时发送反馈伺服电机编码器信号到运动控制单元。
[0062]本实施例中，机械扫查机构具有最大测量范围，达到X方向500毫米，Y方向300毫米，Z方向200毫米，A转动轴范围±50°，B转动轴范围±30°。
[0063]2、运动控制单元
[0064]图3为本发明实施例运动控制单元的示意图。运动控制单元接收控制计算机发送运动控制指令，根据运动控制指令生成驱动信号，发送驱动信号给机械扫查机构;判断扫查头是否到达本次敲击目标位置，如果到达，则暂停发送驱动信号制动机械扫查机构;实时计算扫查头的位置信息并发送给控制计算机。
[0065]本实施例中，运动控制单元包含I个控制器、2个伺服电机驱动器和3个步进电机驱动器。控制器采用控制器ACR9000实现，该控制器接收来自控制计算机送来的运动控制指令，所述运动控制指令是指包含两个伺服电机运行速度、运行距离(扫描间距)、三个步进电机运行速度、步进角度的数字信号，并将控制指令解析，将解析后两个伺服电机需要转动的周数和运行速度作为位置指令，分别发送给对应的伺服电机驱动器，将解析后三个步进电机应该旋转的周数和运行速度作为角位移指令，分别发给对应的步进电机驱动器，同时负责接收两个伺服电机驱动器反馈的位置信息。其中位置信息是包含两个伺服电机运行周数的数字信号。同时控制器将包含两个伺服电机运行周数的位置信号发送给控制计算机。
[0066]对于伺服电机驱动器而言，接收控制器送来的位置指令，即伺服电机需要转动的周数和运行速度，首先把位置指令转换成驱动电机旋转的一系列脉冲信号，然后将其放大输出给伺服电机执行动作，使电机朝目标位置移动;其中，脉冲信号的相位变化快慢决定了电机运行速度。接收伺服电机发送的编码器信号，所述编码器信号是指伺服电机运行周数的脉冲信号，伺服电机驱动器根据编码器反馈的编码器信号可以得到伺服电机运行的周数，当该周数与位置指令中伺服电机需要转动的周数一样时，停止向伺服电机发送脉冲信号，使伺服电机停止运行。同时伺服电机驱动器将位置信息发送给控制器。其中位置信息是包含伺服电机运行周数的数字信号。
[0067]对于步进电机驱动器而言，接收控制器送来的角位移指令，即指步进电机需要旋转的周数和运行速度，经转换、放大输出脉冲信号给步进电机执行动作，其中脉冲个数控制角位移量，脉冲频率控制控制电机运行速度。步进电机驱动器接收到驱动信号后驱动步进电机运转，带动敲击检测装置到达目标位置；
[0068]控制器通过一系列的控制信号完成将扫查头移动到目标位置，并调整好扫查头姿态后，向控制计算机发送扫查头的位置信号，所述位置信号为两个伺服电机运行周数。
[0069]3、多通道敲击检测装置
[0070]多通道敲击检测装置包括多个敲击锤，接收信号采集卡发送的控制信号，产生驱动电流信号，同时输出给多个敲击锤，各敲击锤均与机械扫查机构的扫查头机械连接，随机械扫查机构运动，驱动电流信号驱动多个敲击锤同时敲击待测样品并采集敲击信号，将得到的多路敲击信号进行调理后生成多路调理信号输出给信号采集卡。
[0071]图4为一种复合材料胶接结构的多通道敲击检测装置示意图。如图所示，该多通道敲击检测装置包括驱动电路、调理电路、N个敲击锤，每个敲击锤包括I个电磁锤和I个敲击头。本实施例，N=4，其中:
[0072 ]敲击检测装置中的敲击锤固定于机械扫查机构的扫查头上。
[0073]3.1敲击锤
[0074]图5为本实施例敲击锤结构示意图，如图所示，电磁锤由两个电磁线圈1、铁磁块2和一个金属滑杆3构成;敲击头由压电晶片传感器4和合成塑料锤头5组成。两个电磁线圈按相反的螺旋方向分别固定在金属框6两端，两个电磁线圈之间留有一定间隔，所述间隔即为敲击锤上下运动的行程，使铁磁块2能在两个电磁线圈之间上下运动。金属滑杆3—端从固定于金属框6下端的电磁线圈I中间通过，并与铁磁性材料制成的铁磁块2固定，金属滑杆3另一端依次固定压电传感器4及合成塑料锤头5。所述压电传感器4用压电晶片实现，所述敲击头采用由树脂与导电金属粉固化而成的材料封装，所述导电金属粉为钨粉。这种封装可以提高敲击头的阻尼，有效抑制压电传感器固有频率对传输结果的影响，使输出结果主要表现为压电传感器受加速度冲击载荷的受迫振动。
[0075]驱动电路发送的两路驱动电流信号分别连接至两个电磁线圈，两个电磁线圈中电流交替通断，第一个电磁线圈在第一路电流信号的驱动下产生磁力，吸引铁磁块带动金属滑杆向上运动，第二个电磁线圈在第二路电流信号的驱动下产生磁力，吸引铁磁块带动金属滑杆向下运动，两路驱动电流周期循环交替出现，从而驱动金属滑杆往复运动。被测物件在敲击锤的作用力下发生形变并产生回弹力，压电传感器将检测到的回弹力转换成敲击信号并输出到调理电路。
[0076]敲击锤敲击胶接良好区域与脱粘区域，其接触力、接触时间不同，内置压电传感器感知接触时间的大小、通过测量压电传感器输出的电信号脉冲宽度，检测产品是否存在脱粘缺陷。
[0077]3.2驱动电路
[0078]驱动电路，位于机械扫查机构的扫查架上，接收外部的控制信号，产生2N路驱动电流信号，同时输出给N个敲击锤；
[0079]根据图6可知，所述驱动电路包括第一输入端口(portl)、第二输入端口(port2)、两个电阻Rl和R2、两个三极管Ql和Q2，第一输入端口(portl)和第二输入端口(port2)分别连接电阻Rl和R2的一端，电阻Rl和R2另一端连接Ql和Q2的基极，Ql和Q2的集电极分别连接敲击锤中的第一电磁线圈LI和第二电磁线圈L2，Q1和Q2的发射极分别接地，当第一输入端口(portl)输入高电平，第二输入端口(port2)输入低电平时，在Rl和Ql的基极-发射极产生电流，该电流经三极管放大后在Ql集电极产生电流流经第一电磁线圈LI，第一电磁线圈LI通上电流后产生磁力，此时R2和Q2的基极-发射极不存在基极电流，在Q2集电极没有电流流经第二电磁线圈L2，第二电磁线圈L2不产生磁力;第一电磁线圈LI向上吸引滑杆上的铁块，带动敲击锤向上运动；当输入端口 I输入低电平，输入端口 2输入高电平时，在Rl和Ql的基极-发射极不存在电流，在Ql集电极没有电流流经第一电磁线圈LI，第一电磁线圈LI不产生磁力，此时R2和Q2的基极-发射极产生基极电流，该电流经三极管放大后在Q2集电极产生电流流经第二电磁线圈L2，第二电磁线圈L2产生磁力，第二电磁线圈L2向下吸引滑杆上的铁块，带动敲击锤向下运动。
[0080]驱动电路通过两路驱动电流分别控制两个电磁线圈交替通断，实现金属滑杆的往复运动。现有市场上的敲击锤主要由单电磁线圈和弹簧组成，其弹簧复位时不容易产生震荡，相对于这种敲击锤而言，按照本发明所制成的敲击锤敲击过程完全受到控制，具有良好的检测效果。而且，采用电信号控制敲击锤的敲击运动，可以有效地控制敲击锤的频率和力度，不会因过度敲击损坏被检测件，并且力度能控制得比较均匀，敲击频率高、可靠性高。[0081 ]加载在敲击锤上的两路输入电压信号，为两路方波信号，输入端口 2的信号与输入信号相位相反，即输入端口 I的信号为高电平时，输入端口 2的信号为低电平，输入端口 I的信号为低电平时，输入端口 2的信号为高电平。电磁线圈产生的磁力由通过线圈的电流决定，可能通过调节输入端口的电压控制电磁头的敲击力度和敲击频率。本实施例可以长时间工作在20Hz敲击频率下。
[0082]为了降低多通道敲击检测装置的功耗，减少电磁线圈发热，对电磁线圈起到保护作用，延长其使用寿命。释放第一个电磁线圈的电流之前，可以控制输入端口 I的信号先将电压降低，并保持一段时间，直到输入端口 2的信号变为高电平时再变为低电平。如图7所示，第一端口的输入信号I为一个周期可调节的方波信号，该信号包含三个电平，其顺序依次分别为(4?5)V电平、(3.5?4)V的电平和低电平。控制信号2的信号周期同控制信号1，该信号包含两个电平，其顺序依次为低电平和高电平(4?5)V电平。其中高电平作用时间与控制信号I的低电平作用时刻和时长相等。
[0083]3.3调理电路
[0084]调理电路，接收N个敲击锤采集的敲击信号，对敲击信号进行放大、滤波后生成调制信号输出到外部设备；
[0085]调理电路包括运算放大电路、滤波电路，运算放大电路用于将外部输入的敲击信号进行放大后输出给滤波电路，滤波电路对放大后的信号进行低通滤波消除信号上的毛刺，作为调制信号输出。
[0086]根据图8可知，本实例中，调理电路由运算放大器INA118、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容Cl构成，其特征在于:
[0087]运算放大器INA118的差分输入端接收压电传感器输出的电信号，分别接2M上拉电阻R1、电阻R2至参考电平(1.65V)，负极电源端接地，正极电源端接供电电源(3.3V)，输入参考端连接参考电平(1.65V);输出端连接R4的一端，其余两个管脚外接增益电阻R3，R4的另一端分成两路，一路接Cl，C1的另一端接地，电阻R4和Cl形成的滤波器，另一路为调理电路的输出。
[0088]根据图9可知，输出的敲击信号为脉冲信号。当敲击部位胶接良好区域时，输出的电信号脉冲窄，如图9(a)所示；当敲击部位为脱粘区域时，输出的电信号脉冲宽，如图9(b)所示。
[0089]4、信号采集卡
[0090]信号采集卡在获得控制计算机下达的敲击控制指令后，发送控制信号给敲击检测装置，敲击检测装置的驱动控制电路接收外部的控制信号，产生2N路驱动电流信号，同时输出给N个敲击锤;多路敲击锤同时敲击待测样品，敲击检测装置将得到的N路敲击信号进行调理后输出给信号采集卡;信号采集卡将敲击检测装置输出的多路调理信号同时采集，将采集的模拟信号转换成数字信号输出给控制算计机。
[0091]5、控制计算机
[0092]控制计算机接收外部输入的扫描范围、扫描速度、扫描间距(如:扫查范围:200mm*100mm，扫描速度:100mm/s，扫描间距:lmm)，发送单次运动控制指令给运动控制单元，之后，根据扫描间隔、扫描速度计算扫查准备时间，所述扫查准备时间为扫查头到达本次敲击目标位置所需要的时间。例如，扫查准备时间为扫描间隔除以扫描速度=0.01s。在间隔扫查准备时间之后，向信号采集卡发送敲击控制指令，等待多通道敲击检测装置完成敲击检测和信号采集，接收信号采集卡反馈的本次敲击检测数据并存储，之后，获取运动控制单元实时反馈的扫查头位置信息，将扫查头位置信息转换为每个敲击点的位置信息，将每个敲击点的位置信息和敲击检测数据一一对应，根据每个敲击点的有效信号宽度实时绘制C扫描检测图像，随后再次发送单次运动控制指令给运动控制单元，如此循环往复，直到扫描范围内的区域全部扫查检测完毕，实现对待测样品缺陷的定位、定性和定量检测。
[0093]控制计算机对信号采集卡输出的数字信号分别进行低通和高通滤波处理后，提取有效信号的宽度。其中，高通滤波的截止频率是300Hz，低通滤波截止频率是6kHz ο提取的有效信号宽度为:信号的上升沿大于预设第一门限值到下降沿小于预设的第二门限值之间的时间宽度。本实施例中，第一门限值取700mv和第二门限值取lOOmv。第一通道的位置信息与扫查头的位置信息一致，当多通道敲击装置中N=I时，为单通道敲击，成像图像的位置信息为运动控制单元发送的位置信息；当多通道敲击时，以第一通道的位置坐标为基准，其他通道的位置信息按与该通道敲击锤的相对位置进行偏移后确定的其他通道的位置坐标。例如，本实施例中N=4时，其中扫查头为(Χ0，Υ0)，与第一通道敲击锤的坐标一一对应，其余3个通道敲击锤的坐标可以通过与该敲击锤的相对位置进行偏移获得，分别为(Χ0+ΛΧ，Υ0)、(ΧΟ+2ΛΧ，YO) (ΧΟ+3ΛΧ，YO)，其中ΛΧ表示各敲击锤的间距。
[0094]伺服电机运行的周数乘以对应轴向丝杠的行程比，可以得到当前时刻扫查头在X方向相对于起始点距离和Y方向相对应起始点的距离，从而得到扫查头在XOY平面的坐标信息。
[0095]三维曲面扫查时位置坐标为曲面展开成平面得到的位置坐标。
[0096]所述控制计算机根据每个敲击点的有效信号宽度实时绘制C扫描检测图像的具体过程为:提取该信号的有效信号宽度，建立宽度与256阶颜色灰度的线性关系，按照扫描间距及位置信息逐点进行颜色标识，形成C扫描检测图像。所述C扫描检测图像的变量为被测点的坐标信息，值为有效信号宽度。
[0097]下面结合实施例对多通道敲击自动检测系统的检测过程进行介绍
[0098]实施例:
[0099]本发明适用的被检测复合材料胶接结构尺寸范围较大，单次检测长度范围:500mm;宽度范围:300mm;蜂窝蒙皮厚度范围:<1.5mm。
[0100]本发明采用蜂窝胶接结构敲击自动检测系统进行蜂窝胶接结构件检测的具体过程如下:
[0101 ]步骤一、将被检测材料置于机械扫查机构扫查平面中央位置，材料长度方向为X方向，宽度方向为Y方向，扫描起始点为材料的左上方位置;所采用的多通道敲击锤Y向最大中心间距m0
[0102]步骤二、接通系统电源，开启控制计算机和运动控制单元；
[0103]步骤三、在控制计算机上，通过程序软件控制机械扫查机构将第一个通道的敲击锤移动到扫查起始位置(该敲击锤位于起始点正上方)，其他通道的敲击锤位置分别按照第一通道敲击锤的坐标进行偏移确定；
[0104]步骤四、调整敲击锤距被检测件表面距离，保证敲击锤与被检测件表面的距离在敲击行程距离之内；
[0105]步骤五、在控制计算机根据被检测材料设置扫描参数，输入扫描范围(100X120)、扫描间距(lmm)、扫描速度(200mm/s)、敲击频率(20Hz)。
[0106]步骤六、开始进行扫查，具体检测方法如下:
[0107](I)运动控制单元发送本次电机驱动信号给机械扫查机构，并接收机械扫查机构中伺服电机实时反馈编码器信号，控制机械扫查机构的X轴运动，使各通道敲击锤以扫描速度V沿正X方向运动，保证第一通道敲击锤到达位置坐标(I，O)处。运动控制单元实时反馈位置信号给控制计算机。
[0108](2)控制计算机根据扫描速度计算得出第一通道敲击锤到达位置坐标(I，0)的时间t，延时该时间后，发送敲击控制指令给信号采集卡；
[0109](3)信号采集卡发送多通道敲击控制信号给敲击检测装置，同时驱动多路敲击锤同时敲击待测样品一次；
[0110](4)多通道敲击锤在敲击待测样品后，其内部的压电传感器将回弹力转换成电信号通过放大后输出多通道调理信号给信号采集卡；
[0111](5)信号采集卡采集多通道调理信号输出给控制计算机检测数据，并触发控制计算机获取运动控制单元实时反馈的敲击锤位置信息；
[0112](6)控制计算机将得到的多通道检测数据，提取信号的有效宽度，并与各通道敲击锤的位置按照颜色标示进行成像；
[0113](7)重复步骤(I)?(6)，直至第一通道敲击锤位置到达位置坐标(100，0)后，控制机械扫查机构的Y轴运动，使各通道敲击锤以扫描速度V沿正Y方向运动，保证第一通道敲击锤到达位置坐标(100，1)处。运动控制单元实时反馈位置信号给控制计算机。
[0114](8)控制计算机根据扫描速度和扫描间隔计算得出第一通道敲击锤到达位置坐标(99，1)的时间t，延时该时间后，发送敲击控制指令给信号采集卡；
[0115](9)信号采集卡发送多通道敲击控制信号给敲击检测装置，同时驱动多路敲击锤同时敲击待测样品一次；
[0116](10)多通道敲击锤在敲击待测样品后，其内部的压电传感器将回弹力转换成电信号通过放大后输出多通道调理信号给信号采集卡；
[0117](11)信号采集卡采集多通道调理信号输出给控制计算机检测数据，并触发控制计算机获取运动控制单元实时反馈的敲击锤位置信息；
[0118](12)控制计算机将得到的多通道检测数据，提取信号的有效宽度，并与各通道敲击锤的位置按照颜色标示进行成像；
[0119](13)重复步骤(8)?(12)直至第一通道敲击锤位置到达位置坐标(0，1)后，控制机械扫查机构的Y轴运动，使各通道敲击锤以扫描速度V沿正Y方向运动，保证第一通道敲击锤到达位置坐标(0，2)处。运动控制单元实时反馈位置信号给控制计算机。
[0120](14)重复步骤(I)?(13)，直至第一通道敲击锤纵坐标Y等于m时，控制机械扫查机构的Y轴运动，使各通道敲击锤以扫描速度V沿正Y方向运动m距离。运动控制单元实时反馈位置信号给控制计算机。
[0121](15)重复步骤(I)?(14)，直至扫查结束。
[0122]本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
【主权项】
1.一种复合材料胶接结构多通道敲击自动检测系统，其特征在于包括控制计算机、运动控制单元、机械扫查机构、多通道敲击检测装置、信号采集卡，其中: 控制计算机，接收外部输入的扫描范围、扫描速度、扫描间距，在每个扫查控制周期，向运动控制单元发送运动控制指令，根据扫描间隔、扫描速度确定发送敲击控制指令的时机，向信号采集卡发送敲击控制指令，接收信号采集卡输出的敲击检测数据和运动控制单元实时反馈的扫查头位置信息，根据扫查头位置信息和敲击检测数据实时绘制C扫描检测图像； 运动控制单元，根据运动控制指令生成驱动信号并发送给机械扫查机构；判断扫查头是否到达目标敲击位置，如果到达，则暂停发送驱动信号制动机械扫查机构;实时计算扫查头的位置信息并发送给控制计算机； 机械扫查机构，在驱动信号的控制下移动扫查头的位置、调整扫查头的姿态，并实时发送反馈信号到运动控制单元； 信号采集卡，接收控制计算机发送的敲击控制指令，生成控制信号发送给多通道敲击检测装置;采集多通道敲击检测装置输出的多路调理信号并转换成数字信号，形成敲击检测数据发送给控制计算机； 多通道敲击检测装置，接收信号采集卡发送的控制信号，产生驱动电流信号，同时输出给多个敲击锤，各敲击锤均与机械扫查机构的扫查头机械连接，随机械扫查机构运动，驱动电流信号驱动多个敲击锤同时敲击待测样品并采集敲击信号，将得到的多路敲击信号进行调理后生成多路调理信号输出给信号采集卡。2.根据权利要求1所述的一种复合材料胶接结构多通道敲击自动检测系统，其特征在于所述多通道敲击检测装置包括驱动电路、调理电路、N个敲击锤，每个敲击锤包括I个电磁缠和I个敲击头，N^ I，其中: 驱动电路，接收信号采集卡输入的控制信号，产生2N路驱动电流信号，同时输出给N个电磁锤； 调理电路，接收N个敲击头采集的敲击信号，对敲击信号进行放大、滤波和生成调理信号输出到信号采集卡； 电磁锤，包括两个电磁线圈、磁铁块和金属滑杆;两个电磁线圈按相反的螺旋方向分别固定在金属框上下两端，金属滑杆从下端的电磁线圈中间穿过，上端固定连接铁磁性材料制成的铁磁块，下端固定连接敲击头，两个电磁线圈之间留有一定间隔，使铁磁块能在两个电磁线圈之间上下活动；驱动电路发送的两路驱动电流信号分别连接至两个电磁线圈，两路驱动电流周期循环交替出现，使两个电磁线圈中电流交替通断，从而驱动金属滑杆上下往复运动； 敲击头，固定连接在电磁锤的金属滑杆末端，随金属滑杆反复敲击被测物件，被测物件在敲击头的作用力下发生形变并产生回弹力，敲击头内部含有压电传感器，压电传感器检测回弹力，将回弹力转换成敲击信号并输出到调理电路。3.根据权利要求2所述的一种复合材料胶接结构多通道敲击自动检测系统，其特征在于:所述驱动电路包括第一输入端口、第二输入端口、两个电阻Rl和R2、两个三极管Ql和Q2，第一输入端口和第二输入端口分别连接电阻Rl和R2的一端，电阻Rl和R2另一端分别连接Ql和Q2的基极，Ql和Q2的集电极分别连接电磁锤中的第一电磁线圈LI和第二电磁线圈L2，Q1和Q2的发射极均接地。4.根据权利要求3所述的一种复合材料胶接结构多通道敲击自动检测系统，其特征在于所述调理电路包括运算放大器1嫩118、电阻1?1、1?2、1?、1?4、电容(:1; 运算放大器INA118的差分输入端为调理电路的输入端，分别通过电阻R1、电阻R2上拉至参考电平，负极电源端接地，正极电源端连接供电电源，输入参考端连接参考电平，输出端连接R4的一端，其余两个管脚外接增益电阻R3，R4的另一端分成两路，一路接Cl，Cl的另一端接地，电阻R4和Cl形成的滤波器，另一路为调理电路的输出。5.根据权利要求2所述的一种复合材料胶接结构多通道敲击自动检测系统，其特征在于所述敲击头采用由树脂与导电金属粉固化而成的材料封装而成。6.根据权利要求5所述的一种复合材料胶接结构多通道敲击自动检测系统，其特征在于所述导电金属粉为钨粉。7.根据权利要求1所述的一种复合材料胶接结构多通道敲击自动检测系统，其特征在于所述控制计算机根据扫查头位置信息和敲击检测数据实时绘制C扫描检测图像的具体过程为:对敲击检测数据进行滤波处理后，提取各调理信号中的有效信号宽度;将扫查头位置信息转换为每个敲击点的位置信息，将每个敲击点的位置信息和敲击检测数据一一对应，建立每路调理信号中的有效信号宽度与颜色灰度的线性关系，逐点进行颜色标识，形成C扫描检测图像。8.根据权利要求1所述的一种复合材料胶接结构多通道敲击自动检测系统，其特征在于所述控制计算机提取的有效信号宽度为:信号的上升沿大于预设第一门限值到下降沿小于预设的第二门限值之间的时间宽度。9.一种复合材料胶接结构多通道敲击自动检测方法，其特征在于包括如下步骤: (1)、设定扫描范围、扫描速度、扫描间距； (2)、按照扫描范围、扫描速度、扫描间距，将多通道敲击检测装置移至单次目标敲击位置的上方； (3)、发送敲击控制信号控制多通道敲击检测装置对待测样品进行敲击并采集多路敲击信号； (4)、获取多通道敲击检测装置每个敲击点的位置和每路敲击信号的有效宽度； (5)、将每个敲击点的位置信息和敲击检测数据一一对应； (6)、建立每路敲击信号中的有效信号宽度与颜色灰度的线性关系，逐点进行颜色标识，绘制C扫描检测图像； (7)、循环执行步骤(I)?步骤(6)，直到扫描范围内的区域全部扫查检测完毕。
【文档编号】G01N29/04GK106053600SQ201610499882
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月29日
【发明人】何双起, 张颖, 陈颖, 吴时红, 赵建华, 罗明
【申请人】航天材料及工艺研究所, 中国运载火箭技术研究院